可膨脹的塗料組合物及其用途的製作方法

2023-09-16 16:19:30 2

本發明涉及一種用於保護性包裝的耐衝擊性和/或絕熱性塗料組合物。該塗料組合物通過加熱或者輻射觸發，體積膨脹了至少2500％。塗覆有該塗料組合物的包裝提供了耐衝擊性、高強度、絕熱性和輕重量。具體而言，本發明涉及信封、枕頭和包裝袋，其將在運輸或者郵寄過程中作為保護性包裝來包納易碎和/或易腐爛的物體。發明背景傳統且廣泛使用的保護性包裝材料包括不同的填料或者填充材料，其可用於衝擊和/或絕熱性。例如用塑料氣泡包裝物或者發泡嵌件作為內襯的包裝袋，單獨使用或者與發泡「花生米」和氣泡包裝物一起用於運輸易碎物。同樣，具有外部小袋和內部膨脹襯裡的郵寄袋也是可以使用的；但是，它們是大尺寸的，或者需要專門的機器來驅除和密封襯裡中的空氣，如US2011/019121所述。因為大部分的傳統保護性包裝材料是由塑料製成的，它們不是可生物降解的，且由此對於環境具有不利的影響。本發明尋求通過使用塗料組合物來改進保護性包裝，該組合物為可再生的和/或可再循環的基底提供了耐衝擊性，高強度和輕重量。本發明提供一種更環境友好和經濟可行的保護性包裝，用於運輸易碎和/或易腐爛的物體。本發明還尋求使用容易獲得的器具例如烘箱和微波爐，來使得對於專門機器的依賴最小化。技術實現要素：本發明涉及用於保護性包裝的塗料組合物，其提供耐衝擊性、高強度、絕熱性和輕重量。本發明進一步提供一種製品，其包含施塗到基底上的塗料組合物。該塗料組合物通過加熱或者輻射觸發，體積膨脹至少2500％。該具有膨脹體積的製品可以在運輸或郵寄過程中包納易碎和/或易腐爛的物體，並且基本上很少有塑性材料。在一個實施方案中，提供一種塗料組合物，其包含通過乳液聚合製備的水基聚合物；多個具有T0(膨脹開始)和Tm(最大膨脹)的可膨脹微球；和任選存在的添加劑。該水基聚合物在(Tm-T0)/2時的模量小於0.3MPa和tanδ大於0.35。另一個實施方案提供一種形成保護性包裝製品的方法，其包含步驟，(1)製備組合物，其包含通過乳液聚合製備的水基聚合物和多個具有T0和Tm的可膨脹微球；(2)將該塗料組合物施塗到基底上，該基底是紙、紙板、木材或者箔；(3)乾燥該塗料組合物來基本上除去水；以及(4)使該組合物膨脹。該水基聚合物在(Tm-T0)/2時的模量小於0.3MPa和tanδ大於0.35。該乾燥溫度是小於T0，而膨脹溫度是T0或者更大。再一個實施方案涉及一種保護性包裝製品，其包含基底和塗料組合物，該塗料組合物包含通過乳液聚合所製備的水基聚合物；多個具有T0和Tm的可膨脹微球；和任選存在的添加劑。該水基聚合物在(Tm-T0)/2時的模量小於0.3MPa和tanδ大於0.35。該基底是紙、紙板、木材、金屬紙、金屬紙板或者箔。在一些實施方案中，該基底可以是再循環的或者可再循環的塑料或者塑料膜。具體實施方式本發明提供一種塗料組合物，通過加熱或者施加輻射到該塗料組合物上，其提供耐衝擊性、高強度、絕熱性和輕重量。該塗料組合物和由該塗料組合物製成的製品是更環境友好的，例如減少了塑料廢物。本發明基於這樣的發現，即，用於保護性包裝的塗料組合物包含水基聚合物、多個具有T0和Tm的可膨脹微球以及任選存在的添加劑，其提供耐衝擊性、高強度和輕重量。此處所述的塗料組合物可以施塗到保護性包裝的可再循環和可再生基底上，並且通過加熱或者施加輻射到該塗料組合物，該可膨脹微球膨脹。此處有用的保護性包裝產品包括柔性信封或者枕頭，其在運輸或郵寄過程中將包納易碎和/或易腐爛的物體，而不使用大體積包裝材料。該塗料組合物可以由任何的多種材料製成。理想的，該塗料組合物包括通過乳液聚合製成的水基聚合物；多個具有T0和Tm的可膨脹微球；和任選存在的蠟分散添加劑。該水基聚合物在(Tm-T0)/2時的模量小於0.3MPa和在(Tm-T0)/2時的tanδ大於0.35。該塗料組合物可以進一步包括一種或多種防腐劑、增粘劑、增塑劑、潤溼劑或者填料。根據期望，可以使用不對該塗料組合物和該塗料組合物的膨脹性能產生不利影響的其他材料。該塗料組合物包括通過乳液聚合製備的水基聚合物。該乳液聚合物可以以任何量存在於該塗料組合物中，並且理想的，在該組合物固著之前，存在量是大約50％-大約99.5wt％，優選大約50％-大約70wt％，基於該塗料組合物的重量。取決於乳液聚合物，固體含量將在大約40wt％-大約60wt％變化，基於該乳液聚合物。可以選擇該水基聚合物，以使得它可以通過水來高度塑化。這允許微球在加熱過程中有效膨脹。優選該乳液聚合物是通過親水性保護膠體來穩定的。通過乳液聚合所製備的水基聚合物可以是單級合成乳液聚合物或者合成乳液聚合物或者天然來源聚合物的混合物。通過乳液聚合所製備的水基聚合物可以包括任何期望的聚合物組分，包括乙酸乙烯基酯乙烯分散體，聚乙酸乙烯基酯，聚乙酸乙烯基酯聚乙烯醇，糊精穩定的聚乙酸乙烯基酯，聚乙酸乙烯基酯共聚物，乙酸乙烯基酯乙烯共聚物，乙烯基丙烯酸聚合物，苯乙烯丙烯酸聚合物，丙烯酸聚合物，苯乙烯丁基橡膠，聚氨酯及其混合物。特別優選的乳液聚合物組分是乙酸乙烯基酯乙烯分散體，乙烯基丙烯酸聚合物，苯乙烯丙烯酸聚合物，丙烯酸聚合物和聚乙酸乙烯基酯。在一個實施方案中，該水基聚合物在可膨脹微球T0和Tm的中點：(Tm-T0)/2時的彈性模量小於0.3MPa。除非另有規定，否則全部所報告的模量測量是根據ASTMD5026進行的。在另一個實施方案中，該水基聚合物在可膨脹微球的(Tm-T0)/2時的tanδ大於0.35。該塗料組合物進一步包括多個預先膨脹的或者可膨脹的微球，其具有聚合物殼和烴核。該預先膨脹的微球是完全膨脹的，並且不需要經歷進一步的膨脹。可用於本發明的可膨脹微球應當能夠在加熱和/或輻射能(包括例如微波、紅外光、無線電頻率和/或超聲能)存在下尺寸膨脹。可用於本發明的微球包括例如加熱可膨脹聚合物微球，包括具有烴核和聚丙烯腈殼的那些(例如在商標名下銷售的那些)和其他類似的微球(例如在商標名下銷售的那些)。該可膨脹微球可以具有任何未膨脹的尺寸，包括直徑是大約12微米-大約30微米。在加熱存在下，本發明的可膨脹微球的直徑能夠增加大約3倍-大約10倍。通過該塗料組合物中的微球的膨脹，該塗料組合物變成泡沫狀材料，其具有改進的耐衝擊性和絕緣性能。如下面將解釋的，可以期望的是微球的膨脹是在部分固著的塗料組合物中發生的。該可膨脹微球具有特定溫度，在該溫度它們開始膨脹(T0)，和第二溫度，在該溫度它們達到最大膨脹(Tm)。不同等級的微球具有不同的膨脹開始溫度和最大膨脹溫度。例如，一種特別有用的微球的T0是大約80℃-大約100℃。雖然任何具體等級的微球可以用於本發明，但是當配製和加工時，應當考慮微球的T0和Tm。微球達到最大膨脹(T)時的溫度理想的是大約120℃-大約130℃。雖然具體微球和它們各自的T0和Tm的選擇對本發明來說不是關鍵的，但是加工溫度可以根據這些溫度來變化。在該塗料組合物完全乾燥之前，這些微球能夠在該組合物內移動和能夠膨脹。但是，一旦該塗料組合物完全乾燥，則所述微球基本上鎖定在適當位置上，這使得其難以膨脹，如果不是不可能的話。在優選的實施方案中，令人期望的是在組合物固著之前，可膨脹微球在塗料組合物中的存在量是該塗料組合物重量的大約10％-大約40％，和更理想的在組合物固著之前，是該粘結劑塗料組合物重量的大約15％-大約30％。可膨脹微球的膨脹率和該微球的負載量水平是彼此相關的。取決於微球完全膨脹的尺寸，該可膨脹微球在塗料組合物中的量可以調節。取決於組合物所用的具體可膨脹微球，該微球在組合物中期望的量可以改變。典型的，如果該塗料組合物包括過高濃度的可膨脹微球，則通過微球膨脹會存在不足的附著和強度，由此弱化了組合物的結構完整性。已經發現在固著之前，加入塗料組合物重量的10％-大約40％的可膨脹微球能夠改進結構完整性。該膨脹的塗層具有相對於溼或部分乾燥塗層為大於2000％，優選大於2500％的總體積膨脹率。典型的，選擇在微球的膨脹溫度具有低玻璃化轉變溫度(Tg)和高模量的聚合物作為該塗料組合物的基礎粘合劑。申請人已經發現選擇在微球膨脹溫度時模量小於0.3MPa和tanδ大於0.35的粘合劑聚合物產生了更高膨脹率的塗層。該塗料組合物任選的包括蠟分散添加劑。非限定性蠟分散添加劑包括石蠟、蜂蠟、合成聚乙烯蠟等。該蠟分散添加劑的熔點理想地小於可膨脹微球的T0。在一個實施方案中，該蠟分散添加劑的熔點小於100℃。其他添加劑包括增粘劑、增塑劑和防腐劑，例如生物殺滅劑。示例性防腐劑包括1，2-苯並異噻唑啉-3-酮、5-氯-2-甲基-4-異噻唑啉-3-酮和2-甲基-4-異噻唑啉-3-酮。典型的，在組合物固著之前，防腐劑的用量可以是塗料組合物重量的大約0.05％-大約0.5％。該粘結劑組合物可以任選地在配方中包括任何極性溶劑，特別是水。該塗料組合物任選地進一步包括任何消泡劑、潤溼劑、表面活性劑、著色劑、交聯劑、防腐劑、填料、顏料、染料、穩定劑、流變改性劑、聚乙烯醇及其混合物。在組合物固著之前，這些組分可以以塗料組合物的重量的大約0.05％-大約15％來包括在其中。加入交聯劑將進一步增加微球膨脹後的塗層的結構完整性。雖然塗料組合物可以在室溫開始聚結，但是該塗料組合物可以仍然具有高含溼量並且將基本上是流動的。在塗層完全乾燥之前，一種形式的能量可以引入該塗料組合物中來膨脹所述微球。該能量形式典型地是來自於傳導、感應或者輻射的熱。對於含有預先膨脹的微球的塗層來說，不需要加入能量形式。對於含有可膨脹的和預先膨脹的微球二者的塗層來說，可以使用加熱器和風扇來驅除多餘的水，以幫助塗層乾燥。在一個特別令人期望的配製保護性製品的實施方案中，該塗料組合物可以施塗到基底表面(或多個表面)和經歷足以聚結該塗層的加熱。在塗層聚結開始時和當塗層仍然基本上流動態時，該塗層可以幫助將微球保持在合適的位置，但是仍然允許微球自由膨脹。在一種實施方案中，該加熱然後可以升高到足以膨脹所述微球的溫度。優選的是將加熱器設定到微球的T0到Tm之間的溫度。最後，該加熱可以再次升高到足以完全驅除塗料組合物中的水的溫度。加熱可以通過任何期望的方法來施用，包括在烘箱中或者通過使用加熱輥。應當注意的是不同的階段(固著開始，微球膨脹，和塗層完全乾燥)可以通過輻射能來實現，其作為直接加熱的替代或者與之共用。即，例如不同的步驟可以通過使用微波或者無線電頻率輻射來實現。傳導、對流和/或感應加熱方法可以作為熱源用於所述方法中。另外，強制通風是與加熱一起使用的。另外，所述方法可以包括加熱應用和輻射應用的任意組合。例如塗層的初始聚結可以通過直接加熱來實現，而微球的膨脹可以通過施加輻射能量來實現。如果期望，其他添加劑可以包括在組合物中來增加塗層的聚結。本發明的塗料組合物特別適於保護性包裝，其將在運輸或者郵寄過程中包納易碎和/或易腐爛的物體。示例性保護性包裝包括信封、枕頭、三角形布料袋等。該塗覆的保護性包裝提供耐衝擊性、高強度、絕熱性和輕重量。另一個實施方案提供一種製備保護性包裝製品的方法，其包括步驟：(1)製備組合物，其包含通過乳液聚合所製備的水基聚合物和多個具有T0和Tm的可膨脹微球；(2)將該塗料組合物施塗到基底上，其是紙、紙板、木材、金屬紙、金屬紙板、箔或者塑料膜；(3)乾燥該塗料組合物來基本上除去水；和(4)膨脹組合物中的微球。在另一實施方案中，一種製備多基底保護性包裝製品的方法包括步驟：(1)製備組合物，該組合物包含通過乳液聚合所製備的水基聚合物和多個具有T0和Tm的可膨脹微球；(2)將該塗料組合物施塗到第一基底的一部分上；(2b)任選地，乾燥該塗料組合物來基本上除去水；(3)將粘結劑組合物施用到第一基底的不同部分上；(3b)任選地，乾燥該塗料組合物來基本上除去水；(4)將第二基底置於第一基底上，由此該粘結劑和該塗料組合物在兩個基底之間交置；和(5)使該組合物中的微球膨脹。該基底獨立地選自紙、紙板、木材、金屬紙、金屬紙板、箔或者塑料膜。取決於期望的方法和該塗料組合物，步驟(2b)或者(3b)可以任選地加入到所述方法中來有效除水。在一些實施方案中，該塗料組合物和粘結劑組合物，步驟(2)和(3)，可以同時施用。優選是該塗料組合物和粘結劑組合物施用到基底的不同區域。此外，為了增強耐衝擊性和絕熱性，該粘結劑包括微球。在另一個實施方案中，該粘結劑可以施用到第二基底上，或者兩個基底上。在再一個實施方案中，該塗料組合物可以施用到第一和第二基底二者上，來增加耐衝擊性和絕熱性。進一步可以想到的是多層，大於兩個基底可以用於製備多基底保護性包裝製品，來進一步增加耐衝擊性和絕熱性。微球的膨脹可以用來自於傳導、對流或者感應的加熱來進行。此外，強制通風是與加熱一起使用的。該水基聚合物在微球的(Tm-T0)/2時的模量小於0.3MPa和tanδ值大於0.35。水基聚合物粘合劑的乾燥溫度小於T0，而膨脹溫度是T0或者更大。塗層中膨脹的微球為保護性包裝提供了耐衝擊性、高強度、絕熱性和輕重量。所述基底包括纖維板，硬紙板，波紋板，波紋介質，實心漂白板(SBB)，實心漂白亞硫酸鹽板(SBS)，實心未漂白的板(SLB)，白色襯裡硬紙板(WLC)，牛皮紙，牛皮紙板，塗覆紙，粘合劑板，減克重基底，金屬紙，金屬紙板，箔，塑料或者塑料膜。保護性包裝上的微球可以在即將使用前膨脹或者預先進行膨脹，並且存儲到需要時。在膨脹前，該保護性包裝處於薄態，並且保持在坍塌態和佔據較少空間。通過引入能量例如來自於傳導、對流、感應或者輻射的加熱，塗層中的微球在保護性包裝上膨脹。使用本發明的塗料組合物，不需要將空氣驅入保護性包裝腔室中的裝置。在另一個實施方案中，提供一種具有多個基底層的保護性包裝。該包裝包括包裝的內部基底和外部基底。該包裝進一步包括施塗到包裝的一層或兩層上的塗層，這裡該塗料組合物包含多個固定到其上的可膨脹微球，這裡該多個可膨脹微球已經膨脹並且該塗料組合物已經乾燥。因此，該保護性包裝包括製品，該製品在其一側或兩側上具有粘附的、泡沫狀組合物。該塗料組合物可以以任何期望的構造施用到基底表面上，包括一系列的點、條、波、棋盤圖案，任何通常的多面體形狀及其組合。另外，如果期望，該塗料組合物可以施用到包裝基底的整個表面上。在某些實施方案中，基底的外邊緣沒有塗覆所述塗料組合物，並且保留用於粘結劑。該基底然後一起在邊緣粘附來形成多個基底層，其可以形成保護性包裝例如信封、枕頭、三角形布料袋等。如果期望，該塗料組合物可以在熱存在下施用；但重要的是，施塗時的熱不要過高，以至於在可膨脹微球膨脹之前該塗料組合物完全固著。本發明的粘結劑特別適於消費者包裝，其需要在郵寄和運輸過程中保護和絕緣。本發明可以通過分析下面的實施例來更好的理解，其是非限定性的，並且僅僅用於幫助解釋本發明。實施例實施例1-水基聚合物粘合劑表1顯示了水基聚合物，其具有下面的在可膨脹微球U020-130D微球的(Tm-T0)/2時測量的模量和tanδ值。表1粘合劑在(Tm-T0)/2的模量在(Tm-T0)/2的tanδA0.16×10∧60.43B＜0.084×10∧60.61對比X0.37×10∧60.34實施例2-塗料組合物製備具有下面組分的塗料組合物。表2實施例3-膨脹率將該塗料組合物施塗到紙基底上，並且在265°F、275°F或者285°F加熱25秒。表3顯示了體積增加百分比。表3如表3所示，樣品1、2和3在全部溫度的膨脹率高於對比樣品。因此，用具有在微球的(Tm-T0)/2時模量小於0.3MPa和tanδ大於0.35的粘合劑形成的塗層允許微球在每個測試溫度更大的膨脹。添加蠟分散添加劑也增加了膨脹率。包含蠟添加劑的樣品1和2也具有比沒有蠟添加劑的塗層-樣品3更高的膨脹率。當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp